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Die
Erfindung betrifft ein Betätigungs-
und Überwachungsmodul,
insbesondere für
Betriebseinheiten, das heißt
Streckenanlagen, von Eisenbahnsystemen oder dergleichen, das Folgendes
umfasst:
eine Kommunikationsleitung mit der zu steuernden Betriebseinheit
zum Übertragen
von Betriebseinheitsteuersignalen, d. h. Betätigungssignalen, und zum Empfangen
von Betriebseinheitzustandssignalen, d. h. Rückkopplungssignalen,
wobei
die Rückkopplungssignale
durch einen Schwingkreis erzeugt werden, der ein Signal mit einer
vorgegebenen Frequenz erzeugt, wenn die Betriebseinheit zu einem
der vorgegebenen Betriebszustände
umschaltet, wobei eine bestimmte Rückkopplungssignalfrequenz in
eindeutiger Zuordnung zu jedem Betriebszustand der Betriebseinheit
erzeugt wird,
und wobei der Schwingkreis durch die Sekundärwicklung
eines Transformators, die mit dem Kommunikationskabel verbunden
ist, die Drähte
der Kommunikationsleitung zwischen dem Steuerbetätigungsglied und der Betriebseinheit
und einen separaten Kondensator für jeden vorgegebenen Betriebszustand
der Betriebseinheit gebildet wird, wobei die Betriebseinheit ein
Rückkopplungsschaltmittel
aufweist, das durch diese beim Übergang
von einem ersten zu einem zweiten der vorgegebenen Betriebszustände betätigt wird,
wobei
das Ganze in einer solchen Weise geschieht, dass, wenn ein Betriebszustand
eingenommen ist, ein Rückkopplungssignal
mit der vorgegebenen eindeutigen Frequenz automatisch erzeugt wird,
wobei das Rückkopplungssignal durch
ein Detektionsmittel des Betätigungs-
und Überwachungsmoduls
detektiert wird,
wobei das Detektionsmittel ein Mittel zum
Analysieren des Rückkopplungssignals
enthält,
um die Richtigkeit der Rückkopplungssignalfrequenz
zu überprüfen und
ein Signal zu erzeugen, das anzeigt, dass die Betriebseinheit korrekt
in den entsprechenden Betriebszustand umgeschaltet hat.
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Die
Erfindung betrifft speziell Betätigungs- und Überwachungsmodule
für Eisenbahnsysteme oder
dergleichen, wobei das Steuer- oder Betätigungssignal zu der Betriebseinheit
ein Gleichstromsignal ist. Des Weiteren soll dieses Betätigungs-
und Überwachungsmodul
in Eisenbahnsystemen funktionieren können, bei denen der Zug mit
Wechselstrom betrieben wird.
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Typische
Betriebseinheiten sind Weichenblocke für Eisenbahnweichen oder dergleichen und/oder
sonstige Streckenanlagen mit Solenoids, die durch eine Zentralstation
gesteuert werden.
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Streckenanlagen
oder Betriebseinheiten sind in räumlich
abgesetzten Positionen in einer großen Entfernung von dem Betätigungs-
und Überwachungsmodul
angeordnet, das sich im Allgemeinen in den Räumlichkeiten befindet, die
auch andere Steuer- und Überwachungseinheiten
enthalten, die als Kabinen bekannt sind.
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Es
besteht darum andererseits Bedarf an der Verringerung der Anzahl
der Drähte,
die zum Verbinden der Betätigungsglieder
und der Streckenanlagen benutzt werden, wobei das System lediglich
teilweise verteilt ist, da die Zentralstelle mit den verschiedenen Zonensteuerungen
(die das Anlagenbetätigungsteilsystem
enthalten) in Reihe geschaltet ist, und die sich sogar in einer
erheblichen Entfernung (2–3
km) von der Streckenanlage befinden kann. Andererseits müssen die
Drähte
der Kommunikationsleitungen immer noch die Längenbeschränkungen erfüllen, die durch elektrische
und elektronische Erfordernisse auferlegt werden.
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Auf
dem speziellen Gebiet der Eisenbahnsysteme müssen Betätigungs- und Überwachungsmodule
und Betriebseinheiten mit einem hohen Maß an Sicherheit und auf missionskritische
Weise arbeiten. Das heißt,
wenn es zu Störungen
kommt, so werden die davon betroffenen Einheiten auf Sicherheitsbedingungen
zurückversetzt,
bei denen es sich im Allgemeinen um eingeschränkte Bedingungen handelt.
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Genauer
gesagt, wenn den Zügen
Wechselstrom zugeführt
wird, erfordern die Sicherheitsbedingungen für den Betrieb über wechselstromelektrifizierten
Leitungen im Wesentlichen einen Schutz vor der Situation nicht angepassten
Steuerbefehlen, die durch induzierte und geleitete Spannungen bei
50 Hz verursacht werden, sowie einen Schutzschlüssel in dem Rückkopplungssignal,
der bei Systemen des Standes der Technik ein fester 400- oder 120
Hz-Träger
ist.
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Ein
der Situation nicht angepasster Steuerbefehl kann durch die Tatsache
verursacht werden, dass, wenn einer der Drähte der Kommunikationsleitung
an zwei Stellen mit der Erde in Kontakt steht, d. h. einer an der
Streckenanlage, d. h. der Betriebseinheit, und der andere nahe der
Kabine, die das Betätigungs-
und Überwachungsmodul
enthält,
aufgrund des Fahrstroms mit 50 Hz eine indizierte und/oder geleitete
Wechselstörspannung
in diesem Draht auftreten kann. In diesem Fall, falls ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler
am Ausgang des Moduls angeschlossen ist, erzeugt die Störspannung
einen Strom mit einem Durchschnittswert von ungleich null, der durch
den Wandler, den störungsfreien
Draht und den Lastabnehmer fließt.
Dadurch kann dieses Störsignal
ein der Situation nicht angepasstes versehentliches Steuersignal
simulieren.
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Eine
der Situation nicht angepasste Rückkopplung
kann durch das Anliegen eines Signals, das eine bestimmte Frequenz
in dem Kabel aufweist, selbst im Fall eines doppelten Erdschlusses
verursacht werden. Auch hier kann das Störsignal ein der Situation nicht
angepasstes Rückkopplungssignal
simulieren, das als eine Anzeige interpretiert werden könnte, dass
die räumlich
abgesetzte Betriebseinheit in einen bestimmten Betriebszustand umgeschaltet hat,
wodurch falsche Informationen erzeugt werden könnten.
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Wie
weiter unten in der Offenbarung noch besser erläutert werden wird, ist die
Lösung
dieser Probleme im Zusammenhang mit den Betätigungs- und Überwachungsmodul
des Standes der Technik alles andere als trivial. Insbesondere stehen
die Notwendigkeit, eine sichere Steuerung und/oder Überwachung
unter Verwendung missionskritischer Funktionen im Kontext einer
Wechselstromeisenbahnelektrifizierung mit 50 Hz zu verbessern, und
die Notwendigkeit, die Zahl der Drähte in Kommunikationsleitungen
zu verringern oder unverändert
zu halten, zumindest teilweise in einem Widerspruch zueinander.
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Darum
ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Betätigungs- und Überwachungsmodul bereitzustellen,
das unter Verwendung einfacher und kostengünstiger Anordnungen die Sicherheitsprobleme
von Modulen des Standes der Technik, die die gleichen grundlegenden
Betriebsprinzipien haben, löst
und gleichzeitig weitere Sicherheitsmerkmale verbessert, die nicht
unmittelbar mit der Wechselfahrstromproblematik zu tun haben.
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Zuerst
löst die
Erfindung das oben beschriebene Problem durch Bereitstellen eines
Betätigungs- und Überwachungsmoduls,
insbesondere für
Betriebseinheiten, das heißt
Streckenanlagen von Eisenbahnsystemen oder dergleichen, das Folgendes umfasst:
eine
Kommunikationsleitung mit der zu steuernden Betriebseinheit zum Übertragen
von Betriebseinheitsteuersignalen, d. h. Betätigungssignalen, und zum Empfangen
von Betriebseinheitzustandssignalen, d. h. Rückkopplungssignalen,
wobei
die Rückkopplungssignale
durch einen Schwingkreis erzeugt werden, der ein Signal mit einer
vorgegebenen Frequenz erzeugt, wenn die Betriebseinheit zu einem
der vorgegebenen Betriebszustände
umschaltet,
und wobei der Schwingkreis durch eine in dem Betätigungsglied
enthaltene Induktionsspule, die Drähte der Kommunikationsleitungen
zwischen dem Steuerbetätigungsglied
und der Betriebseinheit und einen separaten Kondensator für jeden
vorgegebenen Betriebszustand der Betriebseinheit gebildet wird,
wobei die Betriebseinheit ein Rückkopplungsschaltmittel
aufweist, das durch diese beim Übergang
von einem ersten zu einem zweiten der vorgegebenen Betriebszustände betätigt wird,
wobei
das Ganze in einer solchen Weise geschieht, dass, wenn ein Betriebszustand
eingenommen ist, ein Rückkopplungssignal
mit der vorgegebenen eindeutigen Frequenz automatisch erzeugt wird,
wobei das Rückkopplungssignal
durch ein Detektionsmittel des Betätigungs- und Überwachungsmoduls
detektiert wird,
wobei das Detektionsmittel ein Mittel zum
Analysieren des Rückkopplungssignals
enthält,
um die Richtigkeit der Rückkopplungssignalfrequenz
zu überprüfen und
ein Signal zu erzeugen, das anzeigt, dass die Betriebseinheit korrekt
in den entsprechenden Betriebszustand umgeschaltet hat,
und
wobei das erfindungsgemäße Modul
des Weiteren ein Mittel zum Modulieren des Rückkopplungssignals gemäß einem
vorgegebenen Modulationsprotokoll enthält.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal ist das Rückkopplungssignalmodulationsprotokoll
ein Impulsamplitudenmodulations(IAM)-Schema.
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Das
erfindungsgemäße Betätigungs-
und Überwachungsmodul
umfasst einen lokalen Rückkopplungssignalerzeuger
mit einem lokalen Rückkopplungssignalträgererzeugungsabschnitt
und einem lokalen Impulsamplitudenmodulationssignalerzeugungsabschnitt,
wobei der lokale Rückkopplungssignalerzeuger
ausgelöst
wird, um das Rückkopplungssignal
mittels eines kapazitätsveränderlichen
Resonanzverbundnetzes zu erzeugen, das aus einer lokalen Induktionsspule,
einem Widerstand, der durch die Drähte der Kommunikationsleitung
zwischen dem Modul und einer räumlich
abgesetzten Betriebseinheit und die Kontakte des Rückkopplungsschalters
der räumlich
abgesetzten Betriebseinheit gebildet wird, und einem separaten Kondensator für jeden
Betriebszustand der räumlich
abgesetzten Betriebseinheit zusammengesetzt ist, wobei die Kondensatoren
in der räumlich
abgesetzten Betriebseinheit angeordnet sind und in dem Resonanzverbundnetz
mittels des Rückkopplungsschalters
in Abhängigkeit
vom Betriebszustand der Betriebseinheit im Wechsel miteinander verbunden
werden, während das
Modul einen lokalen Empfänger
enthält,
der ein Mittel zum Analysieren des Rückkopplungssignals im Hinblick
auf die Frequenz des Rückkopplungssignalträgers und
die Frequenz der Impulsamplitudenmodulation des Rückkopplungssignalträgers enthält, und
wobei das Rückkopplungssignalanalysemittel vom
missionskritischen Typ ist und ein missionskritisches Signal erzeugt,
das anzeigt, dass die Betriebseinheit korrekt in den entsprechenden
Betriebszustand umgeschaltet hat.
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Der
Rückkopplungssignalempfänger umfasst
einen missionskritischen UND-Port, der ein missionskritisches Signal
erzeugt, das anzeigt, dass die Betriebseinheit korrekt in den entsprechenden
Betriebszustand umgeschaltet hat, wenn in die zwei Eingänge des
UND-Ports Signale mit der korrekten Rückkopplungssignalträgerfrequenz
und der korrekten Modulationsfrequenz eingespeist werden, die aus
dem Ausgang des Rückkopplungssignalanalysators
ausgegeben werden.
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Vorteilhafterweise
besteht das Rückkopplungssignalanalysatormittel
aus einem einzelnen Rückkopplungssignalextraktions-/-demodulationskanal
zum Extrahieren/Demodulieren der Rückkopplungssignalträgerfrequenz
und der Rückkopplungssignalträgermodulationsfrequenz.
Das Ausgangssignal dieses Kanals aktiviert einen der zwei abschließenden missionskritischen
UND-Ports, dessen zweiter Eingang direkt durch den in Betrieb befindlichen Frequenzerzeuger
(einen der zwei Erzeuger) betätigt wird.
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Die
Induktionsspule der Resonanzverbundnetze des Rückkopplungssignalerzeugers
besteht aus der Wicklung eines galvanischen Isolationstransformators
an der Verbindung zwischen dem Modul und der Betriebseinheit.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal wird das in den Empfänger eingespeiste Rückkopplungssignal von
einer Wicklung eines galvanischen Isolationstransformators an der
Verbindung zwischen dem Modul und der Betriebseinheit abgegriffen.
Zu diesem Zweck ist ein galvanischer Isolationstransformator zwischen
jedem Eingang/Ausgang des Moduls und dem entsprechenden Eingang/Ausgang
der Betriebseinheit angeordnet.
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Gemäß einer
Verbesserung umfasst das erfindungsgemäße Modul des Weiteren ein Mittel
zum Detektieren des Fehlens eines Rückkopplungssignals, wobei dieses
Mittel die Zeit, während
der kein Rückkopplungssignal
detektiert wurde, mit einer justierbaren zulässigen Höchstschwelle vergleicht, und wobei
dieses Mittel ein Mittel zum Verriegeln, Unterdrücken und/oder Verzögern des
Signals, das anzeigt, dass die Betriebseinheit korrekt in den entsprechenden
Betriebszustand umgeschaltet hat, während einer vorgegebenen Zeit,
die länger
als die zulässige
Höchstschwelle
ist, steuert oder ein Signal erzeugt, das anzeigt, dass die Betriebseinheit
nicht korrekt in den Betriebszustand umgeschaltet hat, wenn die
Zeit, während
der kein Rückkopplungssignal
detektiert wurde, die zulässige
Höchstschwelle überschreitet.
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Der
missionskritische UND-Port zum Erzeugen des korrekten Rückkopplungssignals
ist mit einem Zeitgeber verbunden, dessen Ausgang mit wenigstens
zwei oder mehr UND-Ports verbunden ist, deren Anzahl den Betriebszuständen der
Betriebseinheit entspricht, und dessen anderer Eingang jeweils mit
einem der Drähte
der Kommunikationsleitung zwischen dem Modul und der Betriebseinheit verbunden
ist.
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In
einer Ausführungsform
ist das erfindungsgemäße Modul
in Kombination mit einer Betriebseinheit bereitgestellt, die zu
einem der zwei unterschiedlichen Betriebszustände umschalten kann, wobei
das Modul mit der Betriebseinheit mittels einer Kommunikationsleitung
verbunden ist, die wenigstens zwei Signalleiterdrähte und
einen gemeinsamen Nullleiterdraht umfasst, wobei jeder Draht einem
anderen Kondensator zugeordnet ist und jeder Draht mit seinem entsprechenden
Kondensator über
einen galvanischen Isolationstransformator mit der Rückkopplungssignalerzeugereinheit
verbunden ist und jeder Draht mit der Empfängereinheit verbunden ist,
während
der Zeitgeber zwei missionskritische UND-Ports steuert, die dafür konfiguriert
sind, zwei unterschiedliche Signale zu erzeugen, die anzeigen, dass
die Betriebseinheit korrekt in den entsprechenden Betriebszustand
umgeschaltet hat, wobei jedes dieser Signale eindeutig einem der
zwei Betriebszustände
zugeordnet ist, während
jeder UND-Port, dessen Ausgang mit dem Zeitgeber verbunden ist, über den
anderen Eingang mit einem der zwei Signaldrähte der Leitung zwischen dem
Modul und der Betriebseinheit verbunden ist.
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Ein
Beispiel dieser Betriebseinheit ist ein Weichenblock einer Ausweichstelle
oder dergleichen, der durch einen Gleichstrommotor betrieben wird.
Hier hat der Weichenblock einen Steuer- oder Betätigungseingang für ein Signal,
das dafür
ausgelegt ist, die Verschiebung der Weichenpunkte von einer ersten
oder normalen Position zu einer zweiten oder Umkehrposition zu steuern,
und einen Steuer- oder Betätigungseingang
zum Steuern der Verschiebung der Weichenpunkte von der zweiten zu
der ersten Position, wobei der Weichenblock eine Kommunikationsleitung
mit dem Betätigungs-
und Überwachungsmodul
aufweist, wobei die Kommunikationsleitung einen Draht zum Übertragen
des Weichenpunktverschiebungssteuersignals für jeden der zwei Steuer- oder
Betätigungseingänge umfasst,
während der
Weichenblock des Weiteren einen Schalter zum Schließen eines
Resonanzverbundnetzes umfasst, das gleichzeitig und im Wechsel in
dem Verbundnetz einen der zwei Kondensatoren in Reihe verbindet,
die jeweils einen spezifischen Wert für jede der zwei Betriebspositionen
der Weichenblöcke
haben, wobei der Kondensator mit einem entsprechenden Eingang der
zwei separaten Rückkopplungssignaleingänge des Überwachungsabschnitts
des Betätigungs-
und Überwachungsmoduls
mittels derselben Steuer- oder
Betätigungssignalübertragungsdrähte verbunden
ist.
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Das
erfindungsgemäße Modul
ist mit dem Weichenblock der Eisenbahnausweichstelle oder dergleichen
mittels dreier Drähte
verbunden, von denen zwei dazu dienen, jeweils eines von zwei Betätigungssignalen
zum Verschieben der Weichenpunkte von einer ersten zu einer zweiten
Position und umgekehrt zu übertragen,
und ein dritter ein Nullleiterdraht ist, wobei die beiden Betätigungssignaldrähte auch zusammen
mit dem Nullleiterdraht ein Resonanzverbundnetz zum Betätigen eines
Rückkopplungssignalerzeugers
bilden.
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Vorteile
ergaben sich aus der Verwendung des Folgenden als eine Trägerfrequenz
und als eine Rückkopplungssignalmodulationsfrequenz:
eine Trägerfrequenz
von etwa 400 Hz, die mit einer Frequenz von etwa 10,4 Hz impulsamlitudenmoduliert
wird.
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In
einer zweiten möglichen
Ausführungsform ist
das erfindungsgemäße Modul
in Kombination mit einer Betriebseinheit bereitgestellt, die wenigstens ein
Solenoid aufweist, wobei das Modul dafür konfiguriert ist, den Betriebszustand
oder die Position des Solenoids zu steuern und/oder zu überwachen,
wobei ein separates Kabel zum Steuern der Strombeaufschlagung des
Solenoids und ein weiteres separates Kabel für das Rückkopplungssignal bereitgestellt
sind, während
das Solenoid einen Rückkopplungsschalter
steuert, der in einem der beiden Betriebszustände des Solenoids ein Resonanzverbundnetz
schließt,
wodurch ein Kondensator darin in Reihe verbunden wird, wobei das
Resonanzverbundnetz einen Rückkopplungssignalerzeuger
in dem Betätigungs-
und Überwachungsmodul
betätigt,
der ein Rückkopplungssignal
erzeugt, das eine vorgegebene Trägerfrequenz
aufweist und mit einer zweiten Modulationsfrequenz impulsamplitudenmoduliert
ist, wobei das Rückkopplungssignal
in einen Empfänger
des Betätigungs-
und Überwachungsmodul
eingespeist wird, der ein Signalanalysatormittel aufweist, um die Trägerfrequenz
und die Impulsamplitudenmodulationsfrequenz zu detektieren und um
ein Signal zu erzeugen, das anzeigt, dass die Betriebseinheit korrekt in
den entsprechenden Betriebszustand umgeschaltet hat, wenn die korrekte
Trägerfrequenz
und die korrekte Impulsmodulationsfrequenz des Rückkopplungssignals detektiert
wurden.
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In
einer zweiten möglichen
Ausführungsform hat
das erfindungsgemäße Modul
zwei Steuerausgänge
für die
Signale, die dafür
ausgelegt sind, zwei verschiedene Solenoids mit Strom zu beaufschlagen, wobei
jeder dieser Ausgänge über ein
eigenes Kabel mit zwei Drähten
verbunden ist, und einen Eingang zum jeweiligen Steuern eines der
beiden Solenoids, während
jedes Solenoid einen Rückkopplungsschalter
steuert, der in einem der Betriebszustände des Solenoids ein separates
Resonanzverbundnetz für jedes
Solenoid schließt,
indem ein vorgegebener Kondensator in Reihe verbunden wird, wobei das
Resonanzverbundnetz jedes Solenoids ein eigenes zweiadriges Kabel
für das
Rückkopplungssignal
und einen eigenen Kondensator umfasst.
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In
dieser Ausführungsform
wird die Impulsamplitudenmodulationsfrequenz des Rückkopplungssignals
durch ein aktives Filter detektiert.
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Genauer
gesagt, wenn das Betätigungs-
und Überwachungsmodul
in Kombination mit einer zentralen Steuereinheit bereitgestellt
ist, die ein Solenoidstrombeaufschlagungssteuersignal erzeugt, wobei
dieses Strombeaufschlagungssignal durch das Betätigungs- und Überwachungsmodul
selbst in Gegenwart des Strombeaufschlagungssteuersignals erzeugt
wird, so ist ein Mittel zum Verzögern
der Betätigung
des Strombeaufschlagungssignalerzeugers um eine vorgegebene Verzögerungszeit
bereitgestellt.
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Eine
Ausführungsform
stellt zwei Leiterplattenrelais zum Unterbrechen der Verbindung
zwischen dem Strombeaufschlagungssignalerzeuger und dem Solenoid
bereit, wobei diese Verriegelungsrelais so gesteuert werden, dass
die Verbindung durch das Verzögerungsmittel
nach der vorgegebenen Verzögerungszeit
wiederhergestellt wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird Strom zu dem aktiven Filter entweder über die Verriegelungsrelais
oder direkt durch das Verzögerungsmittel
zugeführt,
so dass, wenn die Steuerverbindung zwischen dem Strombeaufschlagungssignalerzeuger
und dem Solenoid verriegelt ist, Strom zu dem aktiven Filter über die
Verriegelungsrelais zugeführt wird,
während,
wenn die Verbindung zwischen dem Strombeaufschlagungssignalerzeuger
und dem Solenoid wiederhergestellt ist, Strom durch das Verzögerungsmittel
zugeführt
wird, wodurch, wenn eines der Verriegelungsrelais in der strombeaufschlagten Position
hängen
bleibt und kein Strombeaufschlagungssteuersignal am Eingang des
Zeitgebers anliegt, die Position nicht mehr überwacht wird und der oben
erwähnte
Störungszustand
(sicherheitsgefährdend)
detektiert wird.
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In
Anbetracht der Tatsache, dass das Ausbleiben der Positionsüberwachung
infolge des hängen
gebliebenen Hilfsrelais nicht verhindern würde, dass ein alternatives
Rauschen in einer der Situation nicht angepassten Weise die räumlich abgesetzte Einheit
betätigt,
ist, um einen höheren
Grad an Sicherheit zu erhalten, eine redundante Funktion des Öffnens des
Ausgangs des Stromkreises bereitgestellt, wenn keine Steuerung vorgenommen
wird (Verwendung von zwei Relais).
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In
der Ausführungsform,
die eine Strombeaufschlagungssteuerung und eine Solenoidpositionsrückmeldung
bereitstellt, hat der Rückkopplungssignalträger eine
Frequenz von 125 Hz, und die Impulsamplitudenmodulationsfrequenz
beträgt
etwa 5,2 Hz.
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Des
Weiteren ist das Modul vorteilhafterweise in Kombination mit einer
zyklisch arbeitenden zentralen Steuereinheit bereitgestellt, die
Betriebseinheitsteuersignale erzeugt und an das Modul übermittelt,
um Betriebseinheitsteuer- oder
-betätigungssignale
zu erzeugen und um Rückkopplungssignale
zu erzeugen und zu empfangen, welche die Betriebszustände der
Betriebseinheiten anzeigen, während
das Betätigungs-
und Überwachungsmodul
Signale erzeugt, die anzeigen, dass die Betriebseinheit korrekt in
den entsprechenden Betriebszustand umgeschaltet hat, und die im
Anschluss an eine Rückkopplungssignalsanalyse
in die zentrale Steuereinheit eingespeist werden, und ein Signal
erzeugt wird, um anzuzeigen, dass die Überwachungsfunktion angehalten wurde,
wenn die Rückkopplungssignalempfangsverzögerung eine
bestimmte Höchstschwelle übersteigt.
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Vorteilhafterweise
wird das Überwachungsfunktionsstoppsignal
erzeugt, indem das Signal, das ein korrektes Umschalten in den entsprechenden
Betriebszustand anzeigt, um eine Zeit verzögert wird, die der Taktzeit
der zentralen Steuereinheit entspricht.
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Das
erfindungsgemäße Betätigungs-
und Überwachungsmodul
kann auch einfach als ein Überwachungsmodul
verwendet werden, wobei lediglich der Abschnitt, der die oben beschriebenen Überwachungsfunktionen
aufweist, in dem Schaltkreis angeordnet wird.
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Die
Erfindung betrifft des Weiteren zwei konkrete Ausführungsformen
des Betätigungs-
und/oder Überwachungsmoduls,
d. h. eine Eisenbahnausweichstellenpositionsrückkopplungseinheit und eine
Betriebseinheit, die zwei Steuerrelais umfasst, die durch das Betätigungsmodul
betätigt
werden und mit ihm Rückkopplungssignale
erzeugen.
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Dank
der oben beschriebenen Anordnungen beseitigt das erfindungsgemäße Betätigungsmodul die
oben beschriebenen Nachteile und bietet darüber hinaus weitere Vorteile.
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In
der Ausführungsvariante
des Moduls zum Betätigen
und/oder Überwachen
eines Eisenbahnausweichstellenbetriebes ist ein solches Modul ein stationäres Modul,
das es ermöglicht,
eine mit 144 Volt Gleichspannung betriebene Ausweichstelle, die Begrenzungskontakte
aufweist, über
das dreiadrige Betätigungsgliedkabel
zu steuern. Darum gestattet es das erfindungsgemäße Modul, die Verwendung eines
4 × 1-Steuerkabels
zu vermeiden, und es kann sowohl mit zwei Ports der Festkörperverriegelung (FKV)
(jeweils 12 V und 800 Ohm, und miteinander parallel geschaltet)
als auch in einem elektromechanischen System, das neutrale FS 840-Relais aufweist,
mit den beiden parallel geschalteten Spulen (jeweils 12 V und 400
Ohm) verbunden werden. Im letzteren Fall, wo das Betätigungs-
und/oder Überwachungs modul
als eine elektronische Vorrichtung verwendet werden würde, brauchen
keine magnetisch polarisierten Relais verwendet zu werden. Das Modul enthält einen
Signalempfänger,
der in einem weiten Umfang von der Ausgangslast unabhängig ist
und der bis zu etwa 1 W absorbieren kann.
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Des
Weiteren gestattet das Betätigungs-
und Überwachungsmodul
in der oben beschriebenen Variante eine sichere Detektion des Ausfalls
des "dritten Drahtes", d. h. des Drahtes,
entlang dem der Rückkopplungsstrom
nicht fließt.
Wenn dieser Draht ausfällt,
so werden die Positionsüberwachungsfunktionen
angehalten. Darum kann vor der Übertragung
einer unmöglichen
Ansteuerungsanforderung durch das Verriegelungssystem eine Wartung
ausgeführt werden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
hat das Betätigungs- und/oder Überwachungsmodul
eine 4 kV-Gleichspannungsisolierung
zwischen dem Streckenkabel und den missionskritischen Ein/Aus-Ports der
Festkörperverriegelung
(FKV) und zwischen diesem Kabel und der Stromversorgungseinheit.
Das Betätigungs-
und Überwachungsmodul
hat des Weiteren einen Transformator zum Zuführen von Strom zu den inneren
Schaltkreisen, was ein direktes Anschließen an die Stromversorgungseinheit
mit 150 V und 83,3 Hz (mit einer 4 kV-Isolierung) gestattet.
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Dank
der Möglichkeit,
Rückkopplungssignalerzeugungsverzögerungen
zu verwalten, wird jeder vorübergehende
Halt der Überwachungsfunktion bis
wenigstens 70 ms ignoriert. Nach 160 ms, ohne dass ein Überwachungssignal
detektiert wurde, wird dieses vorübergehende Fehlen von Signalen
immer detektiert und später
durch die Logik der Vorrichtung gespeichert. Bei zentralen Steuereinheiten
(ZSE) mit einer Taktzeit von bis zu 0,5 Sekunden wird dies durch
Verwenden eines missionskritischen Augenblicksrücksetzungszeitgebers erreicht,
der die Ausgabe des Rückkopplungssignals
um etwa 750 ms verzögert.
Dies gestattet die Erfüllung
einer si cherheitskritischen Anforderung wie in elektromechanischen
Vorrichtungen.
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Die
externe Überwachungsschaltung
entspricht einer Stromschleife und nicht einer Spannungsschleife
wie im nichtfesten Zustand, d. h. elektromechanischen Verriegelungen
(PBRRI). Somit spricht der externe Stromkreis insbesondere auf den Widerstand
des Betätigungsgliedkabels
und der Weichenblocküberwachungskontakte
an, die mitunter Widerstände
von weit größer als
null haben. In einem typischen Kommunikationsfall gibt es zwei Weichenblöcke, die
zu überwachen
sind, und einen Abschnitt des 4 × 1- oder 4 × 2,5-Überwachungskabels
zwischen diesen beiden Weichenblöcken.
Während
bei Betätigungs-
und Überwachungsmodulen
der maximale Widerstand, der für
den externen Stromkreis erzeugt wird, bei 10 Ohm bzw. 20 Ohm liegt
(maximal 7 Ohm in dem dreiadrigen Betätigungsgliedkabel), gewährleistet
das erfindungsgemäße Betätigungs- und Überwachungsmodul
einen ordnungsgemäßen Betrieb
bis mindestens 30 Ohm, und dieser Wert kann nicht überschritten
werden.
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Im
Hinblick auf die Rückkopplungssignalverwaltungsfunktion
hat das erfindungsgemäße Modul einen
zusätzlichen
Sicherheitsschlüssel
im Vergleich zu Betätigungs-
und Überwachungsmodulen
des Standes der Technik. Der Rückkopplungsträger, dessen
Frequenz immer in einem Bereich von etwa 60 Hz unter/über 400
Hz liegt, wird mit einem Impulssignal von 10,4 Hz amplitudenmoduliert.
Dann wird die Modulationsfrequenz missionskritisch in dem Empfänger detektiert.
Dies gestattet eine deutliche Verbesserung der Betriebssicherheit,
insbesondere im Vergleich zu wechselstromelektrifizierten Leitungen mit
50 Hz, wo ein doppelter Erdschlussfehler des Betätigungsgliedkabels ein Fließen des
(induzierten und geleiteten) Fahrstroms durch die Signalkreise gestattet.
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Das
erfindungsgemäße Betätigungs-
und Überwachungsmodul
impliziert auch, was im ersten Betriebsschritt dieses Überwachungssystems
hervorgehoben wurde. Es stellt darum eine Weiterentwicklung von
Modulen des Standes der Technik dar, während es mit diesen mechanisch
austauschbar ist. Eine elektrische Austauschbarkeit erreicht man durch
Verwenden einer Stromquelle mit 150 V Wechselspannung und 83,3 Hz,
welche die Leistung (etwa 4,5 W) bereitstellt, die von den inneren
Schaltungen benötigt
wird und die derzeit mit Strom von einer externen Stromquelle mit
24 Volt Gleichstrom versorgt werden.
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In
der Ausführungsform
des Betätigungs- und Überwachungsmoduls,
die eine Steuerung und Überwachung
der Position von gleichstrombetriebenen Solenoids bereitstellt,
ist das Modul ein Festkörpermodul,
das mit vier separaten Kabeln arbeitet, um die Positionen von zwei
Solenoids zu steuern und zu überwachen,
die mit 48 V Gleichspannung betrieben werden. Die für jede Steuerung
benötigte
maximale Dauerleistung ist 20 W. In der Regel ist die maximal zulässige Länge für das Steuerkabel
so, dass sein Widerstand nicht 15% des Widerstands der Einheit überschreitet.
Die maximale Länge
des Rückkopplungskabels
beträgt
5 km, und der maximale Widerstand des externen Stromkreises (Kabel
+ Widerstand der Positionskontakte der Einheit) beträgt 100 Ohm,
im Gegensatz zu Modulen des Standes der Technik, die nur einen maximalen
Gesamtwiderstand von 50 Ohm gestatten. Da es für einen ordnungsgemäßen Betrieb
der Positionsüberwachungsfunktion erforderlich
ist, dass das Kabel einen Mindestwiderstand von 50 Ohm hat, wurde
vorgesehen, dass dessen Justierung in der Kabine nach der Installation
nur in Fällen
ausgeführt
wird, in denen der Widerstand geringer als dieser Grenzwert ist.
Wenn Positionskontakte einem hohen Widerstand (bis zu 20 Ohm) entgegenstehen,
so beträgt
der empfohlene maximale Widerstand für das Kabel 80 Ohm.
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Sichere
Betriebsbedingungen über
wechselstromelektrifizierte Leitungen erfordern im Wesentlichen
einen Schutz vor der Situation nicht angepassten Steuerbefehlen,
die durch induzierte Spannungen bei 50 Hz verursacht werden, sowie
einen Schutzschlüssel
in dem Rückkopplungssignal.
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Ein
der Situation nicht angepasster Steuerbefehl kann durch die Tatsache
verursacht werden, dass, wenn einer der Drähte des Steuerkabels an zwei
Stellen mit der Erde in Kontakt kommt, d. h. einer an der Streckenanlage
und der andere nahe der Kabine, aufgrund des Fahrstroms mit 50 Hz
eine indizierte und/oder geleitete Wechselstörspannung in diesem Draht auftreten
kann. In diesem Fall, falls ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler
am Ausgang des Moduls angeschlossen ist, erzeugt die Störspannung
einen Strom mit einem Durchschnittswert von ungleich null, der durch
den Wandler, den störungsfreien
Draht und den Lastabnehmer fließt.
Um das zu verhindern und um es zu ermöglichen, dass der Lastabnehmer
eine angemessene Impedanz bei 50 Hz aufweist, muss der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler
sicher isoliert sein, wenn keine Steuerung anliegt.
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Eine
der Situation nicht angepasste Rückkopplung
kann selbst im Fall eines doppelten Erdschlusses durch das Vorhandensein
einer 125 Hz-Frequenz in dem Kabel verursacht werden. Das Vorhandensein
von Oberschwingungen in dem 50 Hz-Rauschen (die zweite und insbesondere
die dritte Oberschwingung) ist nicht unmittel gefährlich,
weil, wenn der Positionskontakt offen ist und nicht den räumlich abgesetzten
3,3 μF-Kondensator
einfügt, der
externe Stromkreis vom ohmisch-induktiven Typ ist. Daher werden
Oberschwingungen gedämpft, während bei
Empfang der Trägerfilter
durch eine Lichtkoppler-/Quadrierschaltung angesteuert wird, die
das Sinussignal in dem Kabel zu einer Rechteckwelle formt, um dessen
Amplitude zu neutralisieren. Aus diesen Gründen ist die Wahrscheinlichkeit
gering, dass ein anderes Signal als die Grundwelle mit einer vorherrschenden
Amplitude in den Eingang eingespeist wird. Ungeachtet dessen ist – auch angesichts
der Tatsache, dass das maximale Durchlassband des Trägerfilters
ziemlich breit ist (etwa 40 Hz) – der Grad an Sicherheit durch
Impulsmodulation des Rückkopplungssignals
auf 125 Hz, wie in dem Modul der vorherigen Ausführungsform, erhöht worden.
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Die
Modulationsfrequenz erhält
man aus der Netzfrequenz, und sie beträgt etwa 5,2 Hz (T = 192 ms).
Die Aus-Zeit der Modulationsfrequenz bei Übertragung beträgt 36 ms
bei einer Stromversorgung mit 83 Hz und 30 ms bei einer Stromversorgung
mit 50 Hz. Der Decoder extrahiert den Takt des demodulierten Signals
mittels zweier Frequenzteiler mit komplementären Betriebsweisen und überwacht
dann diesen Takt mittels eines aktiven Filters, der im Wesentlichen
aus Gründen
der Platzersparnis erforderlich ist. Ein 5 Hz-LC-Filter würde eine Induktionsspule erfordern,
deren Größe und Gewicht
sich nicht mit der Anwendung vertragen würden.
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Zwei
Steuerungen und zwei Rückkopplungen,
wie oben beschrieben, müssen
in einem geschlossenen Modul angeordnet werden, das eine Große von 235 × 285 mm
und eine Dicke von 10 TE aufweist, um eine mechanische Austauschbarkeit
mit Modulen des Standes der Technik zu erreichen, um den Platzbedarf
zu minimieren und um im Hinblick auf die Raumbelegung selbst gegen
relaisbetriebene Systeme konkurrenzfähig sein zu können. Eine
elektrische Austauschbarkeit erreicht man durch Verwendung einer
Stromquelle mit 150 V Wechselspannung und 83,3 Hz, die anstelle
von 24 Volt Gleichspannung, wie es derzeit verfügbar ist, die Leistung liefert, die
von den Signalschaltungen benötigt
wird (eine Gesamtleistung von etwa 12 W für jedes Modul).
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Die
Bereitstellung einer Impulsmodulation verlängert die Ansprechzeit, d.
h. die Zeit, nach der ab dem Öffnen
des räumlich
abgesetzten Positionskontakts kein Ausgangssignal abgegeben wird.
Diese Zeit kann den Wert von 350 ms errei chen. Die Anforderungen
des 5,2 Hz-Aktivfilters geben eine maximale Laufzeit beim Rückkopplungsempfang
von etwa 1,7 s vor.
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Die
Leistungsstufe ist eine Offenkreis-Festspannungs-Vorwärtsstufe
(Einzelstufe). Der Überlastschutz
am Ausgang wird automatisch geschärft und unternimmt etwa alle
15 Sekunden einen Rücksetzungsversuch.
Die Laufzeit (etwa 350 ms) des Steuersignals wird durch einen missionskritischen Zeitgeber
eingestellt.
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Weitere
Verbesserungen bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
kennzeichnenden Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
zweier Ausführungsformen,
die in den angehängten
Zeichnungen gezeigt sind, deutlicher hervor. In diesen Zeichnungen
ist Folgendes dargestellt:
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1 ist
ein Blockschaubild des Überwachungsabschnitts
eines Moduls gemäß der vorliegenden
Erfindung, der speziell zum Überwachen
der Position der Weichenpunkte einer Eisenbahnausweichstelle konfiguriert
ist.
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2 ist
ein Blockschaubild einer Ausführungsvariante
des Betätigungs-
und Überwachungsmoduls
gemäß dieser
Erfindung, die dafür
vorgesehen ist, Solenoidpositionen zu steuern und zu überwachen.
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3 ist
ein Blockschaubild des missionskritischen aktiven Filters der Modulationsfrequenz
in dem Modul von 2.
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1 zeigt
das Blockschaubild des Überwachungsabschnitts
eines Moduls gemäß der vorliegenden
Erfindung, der speziell zum Überwachen
der Position der Weichenpunkte einer Eisenbahnausweichstelle konfiguriert
ist.
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Nachdem
die Weichenpunkte so gesteuert wurden, dass sie in die richtige
Position verschoben wurden, wird die Positionsüberwachung durch den Umlauf
einer Frequenz von etwa 400 Hz, die durch einen Oszillator erzeugt
wird, der in der Kabine angeordnet ist, die das Modul enthält, in zwei
der drei Steuerübertragungsdrähte realisiert.
Der Oszillator wird nur ausgelöst,
wenn der Kontakt (cpn oder cpr) des Positionsnockens im Inneren
des Weichenblocks einen Kondensator (Cn oder Cr) in das Verbundnetz einfügt, wobei
dieser Kondensator im Anschlusskasten der Steckenanlage, d. h. der
Ausweichstelle, angeordnet ist.
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In
dem Beispiel von 1 bewirkte der letzte Betriebsschritt,
dass sich die Weichenpunkte von der Umkehrposition in die Normalposition
bewegen. Während
dieses Vorgangs wurde das Relais MN mit Strom beaufschlagt, die
Steuerungen KN und KR wurden zurückgesetzt,
der Gleichstrommotor bewegte die Weichenpunkte, und am Ende des
Bewegungsweges der Weichenpunkte unterbrach der Kontakt des Positionsüberwachungsnockens
FCn die Betätigungsstromversorgung
und trennte den Motor vom Verbundnetz. Wenn sich die Weichenpunkte
in der richtigen Position befinden, so wird der Kontakt cpn des
Positionsüberwachungsnockens hergestellt,
und der Kondensator Cn bildet einen Resonanzkreis mit einer der
Sekundärwicklungen
des 4 kV-Isolationstransformators, der mit 2 bezeichnet ist und
ebenfalls in der Kabine enthalten ist. Das Gesamtüberwachungsverbundnetz
besteht aus:
einer einphasigen oder dreiphasigen Stromquelle
mit 144 V;
dem hergestellten Kontakt des Relais MN, wobei das Relais
MN mit Strom beaufschlagt ist;
der Sekundärwicklung des Isolationstransformators;
dem
Betätigungsdraht
A (+);
dem räumlich
abgesetzten Kondensator Cn;
dem Kontakt cpn, der durch den
Nocken in dem Weichenblick der Ausweichstelle hergestellt wurde;
dem
Betätigungsdraht
C (–).
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Unter
diesen Umständen
wird der Oszillator 1 ausgelöst, während der Umkehrpositionsoszillator 5 am
Beginn der Bewegung von der Umkehr- in die Normalposition abschaltet,
zum einen, weil der Nockenkontakt cpr den Cr abtrennt, und zum anderen, weil
der Begrenzungskontakt FCr sich schließt und den Motor parallel zu
der Sekundärwicklung
des Isolationstransformators 3 schaltet, wodurch der Ausgang
kurzgeschlossen wird. Darum fließt kein Überwachungsstrom in dem Betätigungsdraht
B (+).
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Nachdem
der normale Positionsüberwachungsvorgang
abgeschlossen wurde, schaltet die Vorrichtung die Stromzufuhr zu
dem Steuerrelais MN, das den neutralen geschlossenen Stromkreis
in der Kabine bildet, ab, wodurch der Überwachungsstrom fließen kann,
während
der Oszillator im ausgelösten
Zustand gehalten wird. Wenn der Kontakt FCr infolge einer Störung (die
zum Beispiel durch eine Überspannung
am Ende des vorherigen Betriebsschrittes verursacht wurde) nicht
am Beginn der Bewegung von der Umkehr- in die Normalposition hergestellt
wurde oder der Draht C gebrochen ist, so wird infolge der Streukapazität des Transformators 3 und
der verteilten Kabelkapazität
der Oszillator 5 ausgelöst
und oszilliert mit einer Frequenz von 1 bis 2,5 Hz. Dieses Signal
fügt Rauschen
in das Signal des anderen Kanals ein und führt – wie unten noch besser erläutert wird – dazu,
dass die Überwachung von
KN angehalten wird.
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Die
Auswahl der Trägerfrequenz
hängt zuerst
von der erforderlichen Anordnung der Isolationstransformatoren auf
einer Leiterplatte ab, selbst wenn diese Transformatoren groß sind,
weil ihre resonanten Sekundärwicklungen
in Reihe in dem Leistungskreis angeordnet sind und ein dauerhafter Gleichstrom
von etwa 7 A darin fließen
muss, wenn sich der Weichenblock in der reibungsgekuppelten Position
befindet. Bei bestimmten Arten von Weichenblöcken kann am Beginn des Motorbetriebes
ein Übergangsstrom
von bis zu etwa 20 A während
eines zweistelligen Millisekundenzeitraums anliegen. Darum führen die
Minimierung des Induktivitätswertes der
resonanten Sekundärwicklung
und die Sicherheitsanforderungen für wechselstromelektrifizierte Leitungen
zur Auswahl eines Trägers,
der viel höher als
50 Hz ist. Andererseits wird die Obergrenze durch die maximale Länge des
Kabels bestimmt, dessen verteilte Parameter R und C bewirken, dass
die Frequenz von Oszillatoren zunehmend in dem Maße verschoben
wird, wie diese Frequenz zunimmt. Darum ist die gewählte Frequenz
ein Kompromiss zwischen diesen einander entgegenstehenden Erfordernissen.
Es ist kein Betrieb in einer Zwischenposition zwischen einer geradzahligen
Harmonischen und einer ungeradzahligen Harmonischen von 50 Hz möglich, weil
ein erhöhter
Kabelwiderstand bewirkt, dass die Nennfrequenz ebenfalls erhöht wird,
wohingegen die erhöhte
Kapazität
bewirkt, dass sie niedriger wird. Da sich diese beiden Parameter
unabhängig
voneinander entwickeln können
und ein maximaler Widerstand von 7 Ohm benötigt wird, um den Spannungsabfall
zu begrenzen, kann die Trägerfrequenz
in einem Bereich von etwa 375 bis 430 Hz liegen. Isolationstransformatoren
können
zu dem Abzweig des Steuerrelais c.c.n. verschoben werden, um zu
verhindern, dass der Betätigungsgleichstrom
darin fließt. Dies
erfordert die zeitliche Abstimmung der Steuerfunktionen sowie weitere
wichtige Stromkreiskonfigurationen, die hinzugefügt werden, wenn das Modul dafür ausgelegt
ist, auch Betätigungsgliedfunktionen auszuüben.
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Der
Umstand, dass das Resonanzverbundnetz dem übertragenden Oszillator und
nicht dem empfangenden Filter zugeordnet ist, bewirkt, dass das
Rückkopplungssignal
in dem Verbundnetz, das für
den nächsten
Betriebsschritt hergestellt wird, vollständig fehlt, und erfordert,
dass Sicherheitsschwellen am Empfängereingang eingestellt werden,
und gestattet außerdem
sehr kleine Änderungen
in der empfangenen Spannung, d. h. von etwa 20%, wenn sich der Kabelwiderstand
von 5 auf 30 Ohm ändert. Es
wird kein Anpassungsschritt für
Streckenanlagen während
der Installation benötigt,
und die Selektivität des
empfangenden Filters ist vom Widerstand unabhängig. Das Letztere hat nur
einige Auswirkungen auf die Oszillatorstabilität (bei Meißner-Oszillatoren), auch wenn das aufgrund
des kleinen Wärmebereichs und
der begrenzten Spannungsänderungen
nur wenig Folgen für
den Frequenzbereich hat.
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Die
Trägererzeuger 1 und 5 werden
durch einen einzelnen Impulserzeuger amplitudenmoduliert, der durch
ein Referenzsignal angesteuert wird, das durch die Netzspannung
mit 83,3 Hz abgezogen wird (Block 21). Darum wird der Träger alle
96 ms während
12 ms abgetrennt, so dass die Frequenz des modulierenden Signals
10,4 Hz beträgt.
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Amplitudenmodulation
ist des Weiteren von Bedeutung, da sie es ermöglicht, den Oszillator nach einem
Betriebsschritt auszulösen,
selbst wenn das Kabel einen hohen Widerstand hat, was die Verstärkung der
aktiven Stufe des Oszillators verringert und sie an die Grenze des
Oszillationszustandes drückt. Da
der Oszillator während
eines Betriebsschrittes deaktiviert wird, gewährleistet die Verbindung des räumlich abgesetzten
Kondensators der Sekundärwicklung
des Isolationstransformators nicht immer ein ordnungsgemäßes Auslösen, da
die aktive Stufe nicht für
Spannungs- oder Stromänderungen
anfällig ist.
Eine Amplitudenmodulation erzeugt diese Änderungen und erleichtert deutlich
das Auslösen.
Bestimmte Module des Standes der Technik enthalten einen Impulserzeuger,
der den Oszillator für
eine sehr kurze Zeit deaktiviert (etwa 50 μs alle 100 ms). In dem erfindungsgemäßen Modul
wurden die Merkmale dieses Erzeugers modifiziert; insbesondere wurde
die Impulsdauer von 50 μs
auf 12 ms geändert.
Das bewirkt eine Amplitudenmodulation, deren Arbeitstakt (etwa 88/12)
vom Modulationstyp und von den Empfängerreaktionszeitspezifikationen
abhängt.
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Die
Rückkopplungssignale
werden aus den Isolationstransformatoren (2 und 3)
abgezogen und in Block 6 summiert. Dann wird das modulierte
Signal über
zwei getrennte Kanäle übertragen.
Der erste Kanal, der durch das passive Filter 8, den gesteuerten
Schwellenverstärker 11,
der mit 11 kHz arbeitet, und den Wandler 14 gebildet wird,
detektiert die Trägerfrequenz,
während
der zweite Kanal, der durch den Wandler 9, den monostabilen
Abschnitt 12, der ein Signal mit 10,4 Hz mit einem Arbeitstakt
von etwa 50/50 erzeugt, das passive Filter 10, den gesteuerten Schwellenverstärker 13 und
den Wandler 15 gebildet wird, die Modulationsfrequenz detektiert.
Die korrekte Bereitstellung beider Signale betätigt das missionskritische
UND 17, das den Zeitgeber 18 ansteuert, der die
Funktion hat, einen deaktivierten Überwachungsfunktionszustand
für mehr
als 500 ms zu erzeugen, wenn kein moduliertes Rückkopplungssignal in einer
Zeit von mehr als 150 ms detektiert wird, wobei diese Zeit in Block 14 eingestellt
wird. Somit kann die Verriegelungslogik (der zentrale Logikcomputer CLD
mit einer Taktzeit von 0,5 s) immer ein Ereignis detektieren, das
die Sicherheit beeinträchtigen
könnte,
und es speichern. Der Zeitgeber hat zwei Ausgänge, von denen einer aktiviert
wird, um den Ausgang durch die missionskritischen UNDs 19 und 20 zu
erreichen, die eine Gleichspannung am zweiten Eingang empfangen,
wobei diese Spannung direkt über die
Wandler 7 und 16 von den Isolationstransformatoren
erhalten wird. Wenn der Betätigungsdraht
C abbricht, so werden beide Ports 19 und 20 aktiviert,
und der Zeitgeberausgang wird neutralisiert, weil das höchste Frequenzsummensignal
von 400 Hz aus Block 3 im Grunde durch das Filter 8 weggefiltert
wird und der Ausgang des UND-Ports 17 neutralisiert wird.
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Da
bestimmte Weichenblöcke,
zum Beispiel der Weichenblock 264, einen Reihenschlusserregungsmotor
haben, ist die innere Impedanz bei 400 Hz viel höher als die von anderen Weichenblocktypen,
zum Beispiel Weichenblöcke
P80, die einen Dauermagnetmotor haben, der einem Fremderregungsmotor
elektrisch gleichwertig ist. Der Reihenschlusserregungsmotor behindert
den Durchgang des 400 Hz-Signals. Aus diesem Grund, und um die Erzeugung
einer Frequenz von mehr als 400 Hz in dem Verbundnetz zu vermeiden,
muss in einem solchen Weichenblocktyp eine 1 W leistende 1000 Vr-Diode
direkt und antiparallel zu jeder Wicklung des Motors angeschlossen
werden. Natürlich
kann in diesem Fall der Motor nicht durch das Rückkopplungssignal getestet
werden. Der Anschluss der Diode ist nur in gleichstromelektrifizerten
Leitungen zulässig.
Im Fall wechselstromelektrifizierter Leitungen betrifft die einzige
geforderte Konfiguration bei solchen Weichenblöcken die passive externe Einheit
zur Rückkopplungsterminierung
und kann allgemein verwendet werden.
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Alle
Blöcke
wurden unter Verwendung einer ausfallsicheren Analogtechnologie
implementiert, die sowohl diskrete Komponenten (herkömmliche PTH/SMD-
und Spezialkomponenten) als auch lineare integrierte Schaltkreise
umfasst. Beim Testprozess ist das Trägerfilter die einzige Komponente,
die kalibriert werden muss. Die Verstärker und die UND-Ports in dem
Blockschaubild sind Differenzialoszillatoren, die mit einer Frequenz
von etwas über
10 kHz arbeiten und die zwei Stromversorgungen mit gemeinsamer Erdung
(+12 und –24
V Gleichspannung), die über
die Blöcke 21 und 22 erhalten
werden, verwenden.
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Im
Hinblick auf die Funktionssicherheit erfüllt das oben beschriebene Verfahren
eine Anzahl von Anforderungen:
Durch mechanisches Gewährleisten
einer Übereinstimmung
zwischen der Position der Positionsüberwachungsnockenkon takte in
dem Weichenblock und der Weichenpunktposition ist es erforderlich
und ausreichend, dass die Rückkopplungssignale
nur erzeugt werden, wenn diese Kontakte (cpn oder cpr) hergestellt
sind und wenn gleichzeitig Begrenzungskontakte (FCn oder FCr) offen
sind.
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Wenn
während
einer Zeit von mehr als 160 ms kein Rückkopplungssignal anliegt,
so muss das Verriegelungssystem in der Lage sein, dieses Ereignis
zu speichern und eine dauerhafte Null der inneren Rückkopplungsvariable
zu erzeugen.
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Wenn
der Draht A ausfällt
und mit dem Draht C in Kontakt kommt, oder wenn der Draht C ausfällt und
mit dem Draht A in Kontakt kommt, oder wenn bei nicht-gebrochenen
Drähten
A und C der Draht B ausfällt,
so sind die Ausgänge
KN und KR zu blockieren.
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Ein
Sinus- oder Rechteckwellenrauschen mit einer festen oder modulierten
Frequenz von 50 Hz darf sich nicht auf die Ausgänge KN und KR auswirken.
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Hinsichtlich
der Funktionsregelmäßigkeit
erfüllt
das oben beschriebene Verfahren die folgenden Bedingungen:
Es
darf immer nur einer der zwei Ausgänge KN und KR gleichzeitig
aktiviert sein. Der aktivierte Ausgang ist derjenige, welcher der
tatsächlichen
Ausweichstellenposition entspricht.
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Wenn
der Stromkreis, der für
den nächsten Betriebsschritt
hergestellt wurde, öffnet,
so werden die Ausgänge
KN und KR blockiert.
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Wenn
die Kondensatoren Cn und CR, die verschiedene Kapazitätswerte
haben, ausgetauscht werden, so werden die Ausgänge KN und KR neutralisiert.
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Der
größtmögliche Widerstand
in jedem der beiden Überwachungsverbundnetze
außerhalb
des CPA-25 beträgt
30 Ohm.
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Eine
Inaktivität
des Rückkopplungssignals am
Empfängereingang
von 70 ms oder weniger wird nicht detektiert.
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Die
Betätigungsdrähte sind
durch Transformatoren verbunden, deren Isolationsspannung nicht weniger
als 4 kV Gleichspannung beträgt.
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2 und 3 sind
zwei Blockschaubilder einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betätigungs-
und Überwachungsmoduls,
die speziell für
die Gleisstromsteuerungs- und -positionsüberwachung von Solenoids ausgelegt
ist.
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Wenden
wir uns 2 zu. Der Block 101 ist direkt
mit der 50 Hz-Stromversorgung verbunden. Diese 50 Hz-Stromversorgung liefert
Strom an einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler,
der durch die Blöcke 101 (Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler), 102 (stabilisierter
Gleichstrom-Wechselstrom-Vorwärtswandler,
der mit 60 Hz arbeitet), 104 (4 kV-Gleichspannungs-Abspannisolationstransformator)
und 105 (Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler)
gebildet wird, an dessen Ausgang eine Gleichspannung von 48 V und
50 W anliegt. Der Steuerbefehl von einem missionskritischen Verriegelungssystem
aktiviert den Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler nach einer Zeit von
etwa 350 ms, die durch den missionskritischen Zeitgeber 103 erzeugt
wird, wobei dieser missionskritische Zeitgeber 103 immer
eine Verzögerung
von nicht weniger als 200 ms erzeugt, was geringfügig länger ist
als die Zeit, während
der ein der Situation nicht angepasster Steuerbefehl, der durch
die Verriegelungslogik fälschlicherweise
erzeugt wurde, in den Eingang eingespeist wird. Der Zeitgeber veranlasst auch,
dass zwei (zwangsgeführte)
Hilfsrelais K1 und K2 mit Strom beaufschlagt werden. Wenn die Stromzufuhr
zu diesen Relais beendet wird, so stellen sie den c.c.n. des Ausgangs
bereit und trennen unmittelbar stromaufwärts des c.c.n. einen der Kabeldrähte ab,
um den Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (105)
nebenzuschließen
und dadurch die Vorrichtung vor Wechselspannung zu schützen, die
im Fall eines doppelten Erdschlusses in einem der Kabeldrähte induziert
wird.
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Im
vom Strom getrennten Zustand gestatten die Relais K weiter die Stromzufuhr
zum Block 115, was für
den Betrieb des Positionsüberwachungsempfängers missionskritisch
ist. Wenn diese Relais mit Strom beaufschlagt werden, um eine Steuerbetätigung zu
ermöglichen,
so versorgt der Zeitgeber den Block 116 mit einer 12 V-Spannung.
Wenn also eines der Relais auf einem hohen Zustand hängen bleibt, nachdem
der Steuerbefehl deaktiviert und der Zeitgeberausgang neutralisiert
wurde, so wird die Positionsüberwachung
deaktiviert, wodurch eine Störungsdetektion
möglich
wird.
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Die
Positionsüberwachung
erfolgt über
ein spezielles Kabel, das von dem Stromkreis der Steuerung getrennt
ist. Dank dieser Konfiguration kann die Trägerfrequenz deutlich niedriger
sein als im Fall kombinierter Überwachungs-
und Steuerfunktionen, wofür
ein viel größerer Widerstand
und ein viel längeres
Kabel toleriert werden können.
Das verwendete Prinzip ist das gleiche wie im Fall der Ausweichstellenüberwachung
der vorherigen 1, nur dass die beiden Ausführungsformen
unterschiedliche Stromkreisimplementierungen haben. Block 110 ist
ein Meißner-Oszillator,
der mit dem Kabel über
einen Isolationstransformator (Block 106) verbunden ist,
in dem eine der Sekundärwicklungen
eine Induktionsspule bildet, die einen geeigneten Induktivitätswert hat,
um, während
sich der räumlich
abgesetzte 3,3 μG-Kondensator direkt
stromabwärts
von dem zu überwachenden
Positionskontakt befindet, eine Nennfrequenzoszillation von 125
Hz zu bestimmen, wenn der Kontakt geschlossen ist. Dieser Trägererzeuger
wird durch Block 107 impulsamplitudenmoduliert, wobei die
Frequenzteiler das 5,2 Hz- Modulationssignal
direkt aus dem Netzsinuswellensignal erhalten, das durch einen auf
der Leiterplatte montierten Transformator (Block 108) abgezogen
wird, der dafür
geeignet ist, zwei Gleichspannungen (+12 bzw. –24 V) in die Stromkreise beider
Solenoids einzuspeisen. Das Signal für den Empfänger wird ebenfalls von dem
Isolationstransformator abgegriffen und sowohl zu einer Quadrierschaltung,
die den selektiven Trägerverstärker (Blöcke 111 und 112)
ansteuert, als auch zu einem Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler (Block 114) übertragen,
der dafür
konfiguriert ist, Block 115 zu demodulieren und anzusteuern,
wobei letzterer im Wesentlichen aus zwei Frequenzteilerkanälen besteht,
die in komplementärer
Weise arbeiten und deren Funktion es ist, den Takt des Modulationssignals
zu extrahieren. Dieser Takt wird durch den Block 116 (Aktivfilter)
gemessen. Wenn er im Bereich von 170 bis 214 ms (Nenndurchlassband)
liegt, wobei Tnom = 192 ms (Qeq =
5,6), dann erzeugt das Filter ein Signal mit etwa 11 kHz, das auf
sichere Weise den UND-Port 118 für den Zugang durch zwei Eingangssignale
aktivieren kann. Das zweite Eingangssignal wird von dem Trägerfilter
erhalten und ist aktiv, wenn diese Frequenz im Bereich von 112 bis
138 Hz liegt und innere Nennversorgungsspannungen anliegen. Die
Vergrößerung des
Widerstandes des externen Stromkreises von dem kleinsten Wert (50
Ohm) zum größten Wert
(100 Ohm) bewirkt eine Erhöhung der
Trägerfrequenz,
während
eine Verlängerung
des Kabels und damit eine Vergrößerung seiner
verteilten Kapazität
eine Verringerung der Frequenz bewirkt. In der Praxis können Änderungen
von 120 auf etwa 130 Hz vorkommen. Das oben erwähnte Blockschaubild ist in
vereinfachter Form dargestellt und zeigt nicht die Blöcke für den Überlastschutz
des Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlers
bei Übertragung
und die der LC-Oszillatoren, die benötigt werden, damit die missionskritischen
Blöcke
(Zeitgeber und Logikports) dynamisch sind. Diese Oszillatoren gelten
als innerhalb der Blöcke 1033, 166 und 118 angeordnet.
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Das
Blockschaubild von 3 beschreibt das Arbeitsprinzip
des Modulationsfilters (Blöcke 115 und 116 des
Schaubildes von 2).
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Das
Ausgangssignal von Block 201 (Amplitudendemodulator) wird
zu zwei identischen und komplementären Kanälen übertragen. Darum wird im Folgenden
nur der Betrieb des Kanals A beschrieben. Dieser Betrieb beginnt
in Block 202, einem Hysteresekomparator, der dafür konfiguriert
ist, die empfangene Wellenform zu entzerren, und der bei zwei verschiedenen
Eingangssignalpegeln umschaltet, um falsche Schaltvorgänge infolge
der Welligkeit zu entfernen. Die Mindestschwelle stellt auch die
erforderliche Modulationstiefe ein. Die durch den Block 202 erzeugten
Impulse steuern einen Frequenzteiler (Block 203) an, an
dessen Ausgang eine Rechteckwelle mit genau dem doppelten Takt des
Modulationssignals angelegt wird. Block 212 des zweiten
Kanals erzeugt eine exakt komplementäre Rechteckwelle. Der "Ein"-Halbtakt der vom
Block 202 ausgegebenen Rechteckwelle betätigt den
monostabilen Abschnitt 1A (Block 206), dessen Zeitkonstante
theoretisch gleich dem Nenntakt zuzüglich der halben für den Takt
zulässigen
Toleranz ist. Da dieser monostabile Abschnitt nur in Gegenwart eines
Eingangsaktivierungssignals aktiv ist, muss, sobald das "Ein" der an den Block 203 ausgegebenen
Rechteckwelle vollendet ist, die negative Front dieser Welle den
monostabilen Abschnitt 1B auslösen,
dessen Zeitkonstante gleich der für den Takt zulässigen Toleranz
ist (eine Nenntoleranz von 34 ms ±30%, was einem Band von 0,8
Hz ±30%
entspricht). Wenn man also einen Takt von etwa 192 ms (Nennwert)
zugrunde legt, so befindet sich die negative Front des von dem monostabilen
Abschnitt 1A ausgegebenen Signals exakt in der Mitte des an den
monostabilen Abschnitt 1B ausgegebenen Toleranzimpulses in einem
Augenblick, in dem sich der Frequenzteilerausgang 203 im
Aus-Zustand befindet. Diese Front wird aus Block 205 extrahiert
und wird in einer UND-Beziehung (Block 209) mit dem Ausgang
des Tellers von Kanal B (Block 212) kombiniert. Die Rechteckwelle
an diesem Ausgang befindet sich in der "Ein"-Phase, weshalb der
von Block 205 erzeugte Nebenschlussimpuls den Ausgang von
Block 209 erreichen kann, und sobald er vollendet ist,
kann er sie dank einer Steckverbindung am Port 209 bis
zum Ende des "Ein"-Zustands am Ausgang
von Block 212 im hohen Zustand halten. Die sicherheitskritische
Dynamik der Ausgänge
der Ports 209 und 218 wird durch die Nebenschlussabschnitte
gesteuert, welche die Blöcke 210 und 219 bilden.
Ein Sägezahnsignal
zum Ansteuern des Zeitgebers 221 liegt am Ausgang dieser
Blöcke
an. Seine Laufzeit beträgt
etwa 1 s, und seine Rücksetzzeit liegt
in der Größenordnung
von 2 ms. Wenn also einer der Kanäle das Ausgangssignal erzeugt,
so wird der Zeitgeber kontinuierlich zurückgesetzt, und sein Ausgang
ist null. Die Laufzeit wird auf einen solchen Wert voreingestellt,
dass der Ausgang vollständig
unsensibel für
eine einzelne Änderung
wird, die auf einen der Nebenschlüsse wirkt. Die Filterfunktion
lässt sich
folgendermaßen
erklären.
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Wenn
der Signaltakt kleiner als 175 ms (Nennwert) ist, so wird der monostabile
Abschnitt 2021 zurückgesetzt,
bevor seine Zeitkonstante verstrichen ist, und in diesem Fall kann
der Nebenschluss den eingestellten Impuls für den nächsten Speicher erzeugen. Wenn
der Signaltakt länger
als 209 ms (Nennwert) ist, so wird im Gegensatz dazu der eingestellte
Impuls erzeugt, jedoch während
des "Aus"-Zustands des Kanals
B, und hat keinerlei Auswirkung.
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Alle
Blöcke
mit Ausnahme von 201, 202, 203, 211 und 212 sind
ausfallsichere analoge HW. Dieses Schaubild zeigt aus Gründen der
Einfachheit auch nicht die Oszillatorblöcke, die benötigt werden, damit
alle Signale dynamisch werden, so dass alle logischen und analogen
Funktionen missionskritisch sein können.
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Das
in den 2 und 3 veranschaulichte Betätigungs- und Überwachungsmodul
erfüllt
die folgenden Funktionssicherheitsanforderungen:
Die 48 V-Steuerspannung
liegt nur am Ausgang an, wenn eine 22 V-Aktivierung durch einen
ODB-Port der Festkörperverriegelung
empfangen wird.
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Ein
abnormaler Strom von 3 mA oder weniger von dem ODB aktiviert nicht
die 48 V-Gleichspannungsabgabe.
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Die
Leistungsabgabe liegt bei einer Mindestverzögerung von 200 ms von der positiven
Front des Steuersignals an, dessen maximale Amplitude infolge einer
Störung
auf 27 V ansteigen kann.
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Die
Leistungsabgabe wird mit einer maximalen Verzögerung von 100 ms von der negativen
Front des Steuersignals auf null gesetzt.
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Wenn
kein Steuersignal detektiert wird, so wird mindestens einer der
Drähte
mit Gewissheit bei der 48 V-Gleichspannungsabgabe
abgetrennt, um den Gleichrichtungseffekt des betreffenden Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers
bei jeder induzierten Spannung in dem Streckenkabel auf Null zu
setzen, wenn dieses zweifach an zwei verschiedenen Stellen infolge
einer Störung
geerdet wird.
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Die Überwachung
erfolgt über
ein zweiadriges Streckenkabel. Der Rückkopplungssignalempfänger spricht
nicht auf das Öffnen
und Kurzschließen
des Kabels an.
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Der
12 V-Rückkopplungsausgang
liegt nur an, wenn der räumlich
abgesetzte Positionskontakt geschlossen ist und der Rückkopplungsträger regelmäßig mit
5,2 Hz ±0,5
Hz moduliert wird. Ein Rauschen mit einer festen oder modulierten
Frequenz von 50 Hz in dem Kabel betätigt nicht diesen Ausgang.
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Der
Rückkopplungssignalempfänger spricht auf
kein Signal von einem anderen Positionsüberwachungsübertrager an, wenn diese Signale über ein mehradriges
Kabel transportiert werden und aufgrund einer Störung zwei separate Kontakte
in den zwei Stromkreisen entstehen.
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Die
maximale Kabellänge
beträgt
5 km, und seine maximale verteilte Kapazität beträgt 85 nF/km.
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Der
Rückkopplungsausgang
hat einen Wert von weniger als 4 V nach einer maximalen Zeit von 350
ms ab dem Öffnen
des räumlich
abgesetzten Positionskontakts.
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Das
in den 2 und 3 veranschaulichte Modul erfüllt des
Weiteren die folgenden Funktionsregelmäßigkeitsanforderungen:
Die
maximal abgebbare Leistung bei 48 V Gleichspannungsabgabe ist 50
W.
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Der
Leistungsübertrager
wird bei Überlastbedingungen
abgeschaltet. Das Abstellen der Überlast
bewirkt, dass der Erzeuger nach einer Zeit von 13 bis 15 s automatisch
zurückgesetzt
wird.
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Das
kleinste Durchlassband des Rückkopplungsträgerfilters
mit einem Minimum von Va1 ist 118 bis 132 Hz. Die Festträgermindestleistung,
die den Empfänger
betätigen
kann, beträgt
nicht weniger als 100 mW.
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Das
maximale induzierte Rauschen bei 50 Hz in dem Rückkopplungskabel beträgt 20 V
Wechselspannung, und das maximale Übersprechrauschen beträgt 125 Hz.
Wenn ein mehradriges Kabel für
den Positionsüberwachungsübertrager
verwendet wird, so beträgt
es 5 V Wechselspannung (etwa 10 des maximalen übertragenen Signals).
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Das
kleinste Durchlassband des Modulationsfrequenzfilters ist etwa 0,6
Hz (von 4,9 bis 5,5 Hz).
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Der
Widerstand des Stromkreises außerhalb der
Kabine beträgt
50 bis 100 Ohm. Wenn dieser Widerstand kleiner als 50 Ohm ist, so
wird das Rückkopplungssignal
in dem Übertrager
dergestalt justiert, dass eine Blindlast in den Resonanzkreis des Oszillators
hinzugefügt
wird. Bei einem Kabelwiderstand von 0 bis 25 Ohm ist der Stecker
für einen
inneren Widerstand von 39 Ohm an der Vorderseite des Faches anzuschließen. Bei
einem Kabelwiderstand von 26 bis 50 Ohm ist der anzuschließende Stecker
für einen
inneren Widerstand von 68 Ohm.
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Eine
Inaktivität
eines Rückkopplungssignals am
Empfängereingang
von 25 ms oder weniger wird nicht detektiert.
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Die
Toleranz für
die 150 V-Versorgungsspannung beträgt ±5%. Die Toleranz für die Versorgungsfrequenz
beträgt ±1%.
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Die
separaten Betätigungs-
und Überwachungskabel
sind mittels Isolationstransformatoren von 4 kV Gleichspannung angeschlossen.